CN102809805B

CN102809805B - 小型化大变倍比机载变焦距镜头

Info

Publication number: CN102809805B
Application number: CN201210313489.9A
Authority: CN
Inventors: 林春生; 肖维军; 刘辉
Original assignee: Fujian Forecam Optics Co Ltd
Current assignee: Fujian Forecam Optics Co Ltd
Priority date: 2012-08-30
Filing date: 2012-08-30
Publication date: 2014-07-23
Anticipated expiration: 2032-08-30
Also published as: CN102809805A

Abstract

本发明涉及一种小型化大变倍比机载变焦距镜头，沿光线自左向右入射方向分别设有光焦度为正的前固定组、光焦度为负的变倍组、光焦度为负的补偿组、可变光栏组件、光焦度为正的后固定组以及滤色片切换器件；所述前固定组依次设有由负月牙透镜和双凸透镜密接的胶合组、正月牙透镜以及正月牙透镜；所述变倍组设有由双凹透镜、双凸透镜、双凹透镜三镜片密接的胶合组；所述补偿组设有由双凹透镜和正月牙透镜密接的胶合组；所述后固定组的前部依次设有双凸透镜和正月牙透镜，中部依次设有由双凸透镜和双凹透镜密接的胶合组、双凸透镜以及负月牙透镜，后部设有双凸透镜。本发明具有连续电动变焦、电动调焦、电动调光、滤色片切换、焦距实时反馈等功能。

Description

小型化大变倍比机载变焦距镜头

技术领域

本发明涉及视频技术的光学摄像装置，特别是一种小型化大变倍比机载变焦距镜头。

背景技术

目前，机载探测系统要求体积小、质量轻、探测距离大、高清晰度，并且能在雾、雨、雪、尘等气候条件下连续观察，对目标既能作大区域小倍率的全景搜索，又能作小区域大倍率的放大观察。传统的机械补偿式变焦距镜头的光学结构形式由前固定组、变倍组、补偿组和后固定组四个组元构成，但是普遍存在着体积较大、变倍比小、分辨率较低、与高精度摄像机不匹配等缺点。

发明内容

鉴于现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种小型化大变倍比机载变焦距镜头；该镜头克服了现有机载变焦距镜头受限于重量和体积，导致变倍比小、分辨率较低，严重影响机载系统的探测能力等缺陷。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：一种小型化大变倍比机载变焦距镜头，包括调焦机构和变焦机构，其特征在于：所述镜头的光学系统中沿光线自左向右入射方向分别设有光焦度为正的前固定组A、光焦度为负的变倍组B、光焦度为负的补偿组C、可变光栏组件D、光焦度为正的后固定组E以及滤色片切换器件F；所述前固定组A依次设有由负月牙透镜A-1和双凸透镜A-2密接的第一胶合组、正月牙透镜A-3以及正月牙透镜A-4；所述变倍组B设有由双凹透镜B-1、双凸透镜B-2、双凹透镜B-3三镜片密接的第二胶合组；所述补偿组C设有由双凹透镜C-1和正月牙透镜C-2密接的第三胶合组；所述后固定组E的前部依次设有双凸透镜E-1和正月牙透镜E-2，中部依次设有由双凸透镜E-3和双凹透镜E-4密接的第四胶合组、双凸透镜E-5以及负月牙透镜E-6，后部设有双凸透镜E-7。

进一步地，所述前固定组A和变倍组B之间的空气间隔是1.49mm～62.2mm，所述变倍组B和补偿组C之间的空气间隔是2.5mm～33.23mm，补偿组C和后固定组E之间的空气间隔是2.5mm～33.0mm；所述前固定组A中的第一胶合组和正月牙透镜A-3之间的空气间隔是0.1mm，所述正月牙透镜A-3和正月牙透镜A-4之间的空气间隔是0.1mm；所述后固定组E中的双凸透镜E-1和正月牙透镜E-2之间的空气间隔是0.14mm，所述正月牙透镜E-2和第四胶合组之间的空气间隔是1.08mm，所述第四胶合组和双凸透镜E-5之间的空气间隔是0.44mm，所述双凸透镜E-5和负月牙透镜E-6之间的空气间隔是0.2mm，所述负月牙透镜E-6和双凸透镜E-7之间的空气间隔是11.67mm。

与现有技术相比较，本发明具有以下优点：在同等尺寸和重量条件下，该小型化大变倍比机载变焦距镜头比普通光学镜头具有更大的变倍比、更高的分辨率、更宽的气候适应范围，具有连续电动变焦、电动调焦、电动调光、滤色片切换、焦距实时反馈等功能，适用于复杂的机载环境条件，在良好气候的环境下为1/3″高清摄像机提供光电信号，产生高解像力的视频图像，在雾、雨、雪、尘等气候条件也具备对远距离目标的探测能力。

附图说明

图1为本发明实施例光学系统的构造示意图。

图2为本发明实施例的构造示意图。

图3为图2的右视示意图。

图4为本发明实施例调焦机构的构造示意图。

图5为本发明实施例变焦机构的构造示意图。

图6为本发明实施例滤色片切换器件的构造示意图。

图7为图6中A-A处的剖视示意图。

图中：A-前固定组，B-变倍组，C-补偿组，D-可变光栏组件，E-后固定组，F-滤色片切换器件，G-光学靶面，H-光轴，A-1、E-6-负月牙透镜，A-2、B-2、E-1、E-3、E-5、E-7-双凸透镜，A-3、A-4、C-2、E-2-正月牙透镜，B-1、B-3、C-1、E-4-双凹透镜，C-2、E-1-平凸透镜，1-螺钉，2-凸轮盖板，3-主镜筒，4-前精密钢球，5-过轮，6-变倍座，7-变倍导钉，8-变倍导套，9-导杆，10-凸轮，11-变倍电机组件，12-精密电位器，13-补偿导套，14-补偿导钉，15-补偿座，16-后精密钢球，17-凸轮锁紧圈，18-调焦环，19-前组镜筒锁紧圈，20-前组镜座，21-调焦电机组件，22-调焦导钉，23-前组镜筒，24-光栏电机组件，25-滤光盘立柱，26-滤光盘，27-镜头后组法兰，28-滤光片电机组件，29-磁钢，30-滤光片A，31-滤光片B，32-滤光片C，33-滤光片压圈，34-滤光盘压圈，35-霍尔元件组件A，36-霍尔元件组件B，37-霍尔元件组件C，38-底板，39-摄像机。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的阐述。

参考图1，一种小型化大变倍比机载变焦距镜头，包括调焦机构和变焦机构，其特征在于：所述镜头的光学系统中沿光线自左向右入射方向分别设有光焦度为正的前固定组A、光焦度为负的变倍组B、光焦度为负的补偿组C、可变光栏组件D、光焦度为正的后固定组E以及滤色片切换器件F；所述前固定组A依次设有由负月牙透镜A-1和双凸透镜A-2密接的第一胶合组、正月牙透镜A-3以及正月牙透镜A-4；所述变倍组B设有由双凹透镜B-1、双凸透镜B-2、双凹透镜B-3三镜片密接的第二胶合组；所述补偿组C设有由双凹透镜C-1和正月牙透镜C-2密接的第三胶合组；所述后固定组E的前部依次设有双凸透镜E-1和正月牙透镜E-2，中部依次设有由双凸透镜E-3和双凹透镜E-4密接的第四胶合组、双凸透镜E-5以及负月牙透镜E-6，后部设有双凸透镜E-7。

在本实施例中，所述前固定组A和变倍组B之间的空气间隔是1.49mm～62.2mm，所述变倍组B和补偿组C之间的空气间隔是2.5mm～33.23mm，补偿组C和后固定组E之间的空气间隔是2.5mm～33.0mm；所述前固定组A中的第一胶合组和正月牙透镜A-3之间的空气间隔是0.1mm，所述正月牙透镜A-3和正月牙透镜A-4之间的空气间隔是0.1mm；所述后固定组E中的双凸透镜E-1和正月牙透镜E-2之间的空气间隔是0.14mm，所述正月牙透镜E-2和第四胶合组之间的空气间隔是1.08mm，所述第四胶合组和双凸透镜E-5之间的空气间隔是0.44mm，所述双凸透镜E-5和负月牙透镜E-6之间的空气间隔是0.2mm，所述负月牙透镜E-6和双凸透镜E-7之间的空气间隔是11.67mm。

为追求更高的分辨率，光学设计时，在前固定组A中设置了第一胶合组、正月牙透镜A-3以及由超低色散的H-FK61光学材料制成的正月牙透镜A-4，两片弯向光栏面的正月牙透镜不仅提高了光线高度最高的前固定组的光焦度承担能力，而且有效地降低了光学镜头二级光谱等像差，使镜头的分辨率显著提高，达到百万像素，可与高清摄像机适配。

该小型化大变倍比机载变焦距镜头达到了以下技术指标：（1）焦距：f′=10mm~300mm（变倍比30倍）；（2）相对孔径：短焦D/f′优于1/4，长焦D/f′优于1/6；（3）水平视场角范围大于0.935°~26.23°，垂直视场角范围大于0.8°~19.8°；（4）镜头分辨率：与百万像素1/3″CCD摄像机或CMOS摄像机适配；（5）光栏最小孔径Φ2mm±0.2mm；（6）光栏全程运动时间不大于3s；（7）聚焦要求：4m~无穷远成像清晰；（8）变焦全程变焦时间为3~8s；（9）工作温度：-40℃~40℃；（10）力学冲击：6g半正弦波，频率40次/min；（11）振动：振幅0.06g²/Hg,频率300~1000 Hg；（12）温度冲击：高温+65℃，低温-40℃，高低温保持时间1h，温变率为1℃/min，三个循环；（13）光学总长小于169mm；（14）重量小于1.8Kg。

参考图2，该小型化大变倍比机载变焦距镜头总长为198mm（含CCD摄像机），宽为98mm，高95mm。为了承受振幅0.06g²/Hg、频率300~1000Hg的振动及6g的力学冲击，本发明采用如图2所示的桥式连接结构，即在镜头的前端主镜筒处设计方形法兰，在镜头的后端光栏座处设计方形法兰，两个法兰底部与底板38连接形成桥式结构。其中，所述底板38选用适当的厚度，尽可能降低系统的重心，以增加镜头的谐振频率，避免低频处产生共振，从而提高了镜头的抗振性能；所述底板38的材料采用厚度为10.5mm的LY12-cz硬铝。系统的中心高为47.5mm。此样机装调后，进行振动、冲击实验。实验结果在振动频率段没有产生共振现象，光轴漂移少于30″，符合技术条件要求。

参考图3，为了满足温度冲击的要求（即高温65℃、低温-40℃时，高、低温各保持1小时，进行三个循环，温变率大于1℃/min时系统不会受热应力的影响，而使镜片产生弯曲变形，从而影响产品的成像质量），要求选用的镜筒材料膨胀系数较小并且和玻璃的膨胀系数相近。通过配型，本发明选用与玻璃材料膨胀系数相近的低合金钢16Mn作为前组的镜筒材料，其膨胀系数为8.31×10^-6mm/℃与玻璃材料8×10^-6mm/℃非常接近。这样可以保证在温冲环境中变化105℃的情况下，前组镜筒23与玻璃的膨胀（收缩）差远小于前组镜筒23和玻璃的配合间隙，从而保证镜头在温冲环境中，系统的像质不会发生变化。

参考图4，所述调焦机构包括安装在主镜筒3上的调焦电机组件21和安装有前固定组A的前组镜筒23，所述前组镜筒23通过前组镜座20安装在主镜筒3内，所述前组镜座20的前端设置有用于锁紧前组镜筒23的前组镜筒锁紧圈19。所述调焦电机组件21的齿轮与电机转子固定连接，所述调焦电机组件21的齿轮与调焦环18的外齿圈相啮合。所述调焦环18的内螺纹分别与前组镜座20的外螺纹、主镜筒3的外螺纹相连接，所述调焦环18与主镜筒3之间采用螺距为2mm的右旋螺纹连接，所述调焦环18与前组镜座20之间采用螺距为0.75mm的左旋螺纹连接。所述前组镜座20上均匀设置有三个分别与主镜筒3上的导槽相配合以引导其相对主镜筒3作旋转直线运动的调焦导钉22。

当调焦电机组件21的电机通电时，转子做正反向运动，齿轮通过啮合带动调焦环18作正反向运动，调焦环18通过与主镜筒3相连接的右旋螺纹及前组镜筒23相连接的左旋螺纹带动前组镜筒23，并在三个均布调焦导钉22的作用下作正反向的直线运动，从而带动镜头的前固定组A作正反向的直线运动，实现系统调焦的目的。

本实施例采用：调焦电机组件21齿轮的啮合圆为Φ17，电机减速箱减速比为370:1，调焦电机额定转速为8700转/分，调焦环18的啮合圆为Φ73mm，调焦环18与主镜筒3的连接螺距为2mm（右旋），调焦环18与前组镜筒23的连接螺距为0.75mm（左旋），因此调焦环18与前组镜筒23之间的导程为2.75mm。为了满足长焦时，4m近摄距时图像清晰，调焦导程应大于1mm，即调焦环18应旋转131°以上。因此本实施例的调焦机构全程调焦时间t为：t=（1/电机转速）×（减速箱的减速比）×（调焦环啮合圆直径/电机齿轮直径）×（调焦环旋转角/360°）=4秒。

参考图5，所述变焦机构包括变倍电机组件11、安装有变倍组B的变倍座6以及安装有补偿组C的补偿座15，所述变倍座6和补偿座15分别安装在主镜筒3内的两导杆9的前后端上，所述两导杆9分别对称地用凸轮盖板2固定在主镜筒3上，所述变倍座6、补偿镜座通过紧配合分别压在变倍导套8、补偿导套13上进而安装在两导杆9上。所述变倍电机组件11的齿轮经过轮5分别与精密电位器12的齿轮和凸轮10的齿轮相啮合。所述凸轮10的前后端分别经前精密钢球4和后精密钢球16安装在主镜筒3上并由凸轮锁紧圈17压紧，把凸轮10旋转时的滑动摩擦转变为滚动摩擦，以减少凸轮10运动时的摩擦力。所述凸轮10按光学变焦运动方程的要求铣上变倍曲线槽和补偿曲线槽，所述变倍座6上设置有与变倍曲线槽相配合的变倍导钉7，所述补偿座15上设置有与补偿曲线槽相配合的补偿导钉14，所述变倍导钉7和补偿导钉14把凸轮10与变倍座6、补偿座15连接在一起。其中，两条导杆9起到支撑作用，并且将变倍座6、补偿座15的旋转运动转化为直线运动；变倍导套8、补偿导套13是为了增加滑动配合长度，增加变倍座6、补偿座15运动时的平稳性。

当变倍电机组件11的转子作正负旋转运动时，变倍电机组件11的齿轮通过过轮5与精密电位器12的齿轮、凸轮10的齿轮啮合转动使精密电位器12与凸轮10同步旋转，通过变倍曲线槽、补偿曲线槽及变倍导钉7、补偿导钉14带动变倍座6、补偿座15分别按变倍曲线槽、补偿曲线槽的方式运动；这样通过电机旋转实现变倍座6、补偿座15按变倍运动方程要求作前后直线运动，从而使系统的焦距产生变化。当系统的焦距发生变化时，精密电位器12的齿轮通过过轮5啮合，使电位器旋转，则电位器的阻值发生变化，通过适当的取样电路可以取出电位器的变化值，并传给控制中心，从而实现变焦值的显示。

本实施例的变焦凸轮10的啮合圆为Φ71mm，变倍电机组件11齿轮的啮合圆直径为Φ21mm，电机减速箱的减速比采用370:1，电机额定速率为8700转/分，变焦凸轮10的导程为160°，因此变焦机构的全程变焦时间t为：t=（1/电机转速）×（减速箱的减速比）×（变焦凸轮啮合圆直径/变焦电机齿轮直径）×（凸轮导程/360°）=（60/8700）×（370）×（21/21）×（160/360）=3.8秒，符合技术协议全程3~8s的要求。

要实现小型化，最重要的是要尽量缩短光学系统的总长并减小径向尺寸。光学系统总长的缩短，要求系统的变倍组B和补偿组C的移动范围尽可能小，同时为了实现光学系统30倍的大变倍比，就必须采用最速变焦凸轮曲线设计，当变倍组B的倍率m²= -1时，补偿组C的倍率│m³│按最速变焦路线运动，通过上述措施，使得变焦过程的导程最小，光学总长最短，使整个系统的体积小巧。

参考图6~7，所述滤色片切换器件F包括滤光盘立柱25、绕滤光盘立柱25平稳旋转的滤光盘26以及按顺序安装在滤光盘26上的三种滤光片，所述滤光盘26安装在镜头后组法兰27上并装配上滤光片电机组件28、磁钢29以及与三种滤光片相应的三个霍尔元件组件，所述滤光片电机组件28的齿轮与滤光盘26的齿轮相啮合。

其中，滤光片A30采用K9光学玻璃滤光片并镀有可见光宽带增透膜，滤光片B31采用HWB1红外滤光片，滤光片C32采用衰减50%的衰减片，将这三种滤光片按顺序装在滤光盘26上并用滤光片压圈33压好，将滤光盘26安装在滤光盘立柱25上并用滤光盘压圈34压紧，确保压紧的滤光盘26能平稳地绕滤光盘立柱25旋转，若转动不平稳，精修滤光盘26与滤光盘立柱25的配合间隙使之平稳运转。

将装有滤光片的滤光盘26装到镜头后组法兰27上并按图6~7的装配关系装上滤光片电机组件28、霍尔元件组件、磁钢29。调整滤光片电机组件28，使滤光片电机组件28齿轮与滤光盘26齿轮啮合顺畅，电机通过齿轮啮合能平稳带动滤光片顺时针转动。给霍尔元件组件A35加上5V电源，检测霍尔元件输出端对地电压，调整霍尔元件组件A35的位置，使滤光片A30对准光轴H时，磁钢29靠近霍尔元件组件A35，霍尔元件输出端从高电平向低电平翻转（即霍尔元件A35输出端的输出脉冲在下降沿处），滤光片A30正好在镜头光轴H中心。同理调整霍尔元件组件B36、霍尔元件组件C37的位置，使霍尔元件组件B36输出在下降沿时，滤光片B31对准镜头光轴H；霍尔元件组件C37输出在下降沿时，滤光片C32对准镜头光轴H。把霍尔元件的输出信号反馈到中央计算机，这样中央计算机要用某种滤光片时，即让电机带动滤光盘旋转，并且在该霍尔元件收到下降沿信号时，切断电机电源，该滤光片就准确地停在镜头的光轴处。正常情况下使用滤光片A30，需透雾时使用滤光片B31，强光环镜使用滤光片C32，这样大幅扩展了镜头的使用环境，提高了镜头在雾、雨、雪、尘等天候条件的远距离探测能力。

在光学系统中设置了高精度的滤色片切换器件F，通过微电机驱动控制滤色片切换机构，让波段850nm以上的高通滤色片增透近红外光线，使摄像系统在雾、雨、雪、尘等天候条件也具备对远距离目标的探测能力。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims

1.一种小型化大变倍比机载变焦距镜头，包括调焦机构和变焦机构，其特征在于：所述镜头的光学系统中沿光线自左向右入射方向分别设有光焦度为正的前固定组A、光焦度为负的变倍组B、光焦度为负的补偿组C、可变光栏组件D、光焦度为正的后固定组E以及滤色片切换器件F；所述前固定组A依次设有由负月牙透镜A-1和双凸透镜A-2密接的第一胶合组、正月牙透镜A-3以及正月牙透镜A-4；所述变倍组B设有由双凹透镜B-1、双凸透镜B-2、双凹透镜B-3三镜片密接的第二胶合组；所述补偿组C设有由双凹透镜C-1和正月牙透镜C-2密接的第三胶合组；所述后固定组E的前部依次设有双凸透镜E-1和正月牙透镜E-2，中部依次设有由双凸透镜E-3和双凹透镜E-4密接的第四胶合组、双凸透镜E-5以及负月牙透镜E-6，后部设有双凸透镜E-7；所述前固定组A和变倍组B之间的空气间隔是1.49mm～62.2mm，所述变倍组B和补偿组C之间的空气间隔是2.5mm～33.23mm，补偿组C和后固定组E之间的空气间隔是2.5mm～33.0mm；所述前固定组A中的第一胶合组和正月牙透镜A-3之间的空气间隔是0.1mm，所述正月牙透镜A-3和正月牙透镜A-4之间的空气间隔是0.1mm；所述后固定组E中的双凸透镜E-1和正月牙透镜E-2之间的空气间隔是0.14mm，所述正月牙透镜E-2和第四胶合组之间的空气间隔是1.08mm，所述第四胶合组和双凸透镜E-5之间的空气间隔是0.44mm，所述双凸透镜E-5和负月牙透镜E-6之间的空气间隔是0.2mm，所述负月牙透镜E-6和双凸透镜E-7之间的空气间隔是11.67mm；所述负月牙透镜A-1向物方侧凸出，所述负月牙透镜E-6向物方侧凹进，上述的所有正月压透镜均向物方侧凸出；上述的镜头达到了以下技术指标：（1）焦距：f′=10mm~300mm，变倍比30倍；（2）相对孔径：短焦D/f′优于1/4，长焦D/f′优于1/6；（3）水平视场角范围0.935°~26.23°，垂直视场角范围0.8°~19.8°；（4）镜头分辨率：与百万像素1/3″CCD摄像机或CMOS摄像机适配；（5）光栏最小孔径Φ2mm±0.2mm；（6）光栏全程运动时间不大于3s；（7）聚焦要求：4m~无穷远成像清晰；（8）变焦全程变焦时间为3~8s；（9）工作温度：-40℃~40℃；（10）力学冲击：6g半正弦波，频率40次/min；（11）振动：振幅0.06g²/Hg，频率300~1000Hg；（12）温度冲击：高温+65℃，低温-40℃，高低温保持时间1h，温变率为1℃/min，三个循环；（13）光学总长小于169mm；（14）重量小于1.8Kg。

2.根据权利要求1所述的小型化大变倍比机载变焦距镜头，其特征在于：所述前固定组A中的正月牙透镜A-4是由超低色散的H-FK61光学材料制作而成。

3.根据权利要求1所述的小型化大变倍比机载变焦距镜头，其特征在于：所述镜头的前端主镜筒设有方形法兰，所述镜头的后端光栏座处设有方形法兰，两个方形法兰底部均与底板连接形成桥式结构。

4.根据权利要求1所述的小型化大变倍比机载变焦距镜头，其特征在于：所述调焦机构包括安装在主镜筒上的调焦电机组件和安装有前固定组A的前组镜筒，所述前组镜筒通过前组镜座安装在主镜筒内，所述调焦电机组件的齿轮与电机转子固定连接，所述调焦电机组件的齿轮与调焦环的外齿圈相啮合，所述调焦环的内螺纹分别与前组镜座的外螺纹、主镜筒的外螺纹相连接，所述前组镜座上均匀设置有若干个分别与主镜筒上的导槽相配合以引导其相对主镜筒作旋转直线运动的调焦导钉。

5.根据权利要求1所述的小型化大变倍比机载变焦距镜头，其特征在于：所述变焦机构包括变倍电机组件、安装有变倍组B的变倍座以及安装有补偿组C的补偿座，所述变倍座和补偿座分别安装在主镜筒内的两导杆的前后端上，所述变倍电机组件的齿轮经过轮分别与精密电位器的齿轮和凸轮的齿轮相啮合，所述凸轮的前后端分别经前精密钢球和后精密钢球安装在主镜筒上并由凸轮锁紧圈压紧，所述凸轮上开设有变倍曲线槽和补偿曲线槽，所述变倍座上设置有与变倍曲线槽相配合的变倍导钉，所述补偿座上设置有与补偿曲线槽相配合的补偿导钉。

6.根据权利要求1所述的小型化大变倍比机载变焦距镜头，其特征在于：所述滤色片切换器件F包括滤光盘立柱、绕滤光盘立柱平稳旋转的滤光盘以及按顺序安装在滤光盘上的三种滤光片，所述滤光盘安装在镜头盖的后组法兰上并装配上滤光片电机组件、磁钢以及与三种滤光片相应的三个霍尔元件组件，所述滤光片电机组件的齿轮与滤光盘的齿轮相啮合。